KR20130008007A - Stacked microstrip antenna - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나가 다른 하나의 상부에 정렬되는 2개의 마이크로스트립 안테나 부재들(1, 10)과 상기 마이크로스트립 안테나 부재들(1, 10) 사이의 유전 분리기(5)를 구비하고, 상기 유전 분리기(5)가 하나 또는 그 이상의 공동들(20, 21)을 갖는 적층형 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.The present invention comprises two microstrip antenna members (1, 10) arranged one on top of the other and a dielectric separator (5) between the microstrip antenna members (1, 10), said dielectric separator (5) relates to a stacked microstrip antenna having one or more cavities 20 and 21.

Description

적층형 마이크로스트립 안테나{STACKED MICROSTRIP ANTENNA}Stacked Microstrip Antenna {STACKED MICROSTRIP ANTENNA}

본 발명은 특허 청구 범위 제1항의 전제부에 따른 적층형 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a stacked microstrip antenna according to the preamble of claim 1.

기술 문헌(예를 들면, "Microstrip Patch Antennas - A Designers Guide"(R. B. Waterhouse, Ed., Kluwer Acad. Publishers, 2003, p. 90))에 따르면, 하나가 다른 하나의 상부에 놓이는 안테나의 2개의 마이크로스트립 안테나 부재들(또한 이하에서 쇼트를 위한 패치(patch) 부재들로서 지정되는)의 전자기적 결합은 넓은 임피던스 대역폭이 얻어지도록 하기 위하여 단지 약한 것만 허용된다. 그 기술적인 결과는 상기 2개의 패치 부재들 사이에 분리기와 캐리어로서 고주파(RF) 발포 물질들(foam materials)의 사용이며, 이는 이와 같은 형태의 기포들이 낮은 비유전율(ε r )을 갖기 때문이다. 고주파 발포 물질들을 사용하는 이러한 해결 방법은 미국특허 제7,636,063(B2)호로부터 알려져 있다. 그러나, 상기 발포들은 표준 인쇄 회로 기판(PCB) 공정들을 위해서는 온도 및 압력에 지나치게 민감하며, 이에 따라 제조 방법들이 복잡해지고 비용이 많이 든다.According to the technical literature (e.g., "Microstrip Patch Antennas-A Designers Guide" (RB Waterhouse, Ed., Kluwer Acad. Publishers, 2003, p. 90)), two antennas are placed one on top of the other. The electromagnetic coupling of the microstrip antenna members (also designated below as patch members for short) is only allowed to be weak so that a wide impedance bandwidth can be obtained. The technical result is the use of high frequency (RF) foam materials as separators and carriers between the two patch members, since bubbles of this type have a low relative dielectric constant ( ε r ). . This solution using high frequency foam materials is known from US Pat. No. 7,636,063 (B2). However, the foams are too sensitive to temperature and pressure for standard printed circuit board (PCB) processes, which makes the manufacturing methods complex and expensive.

앞에서 언급한 미국 특허 제7,636,063(B2)호에는 2개의 패치 부재들 사이의 공간이 완전히 공동(cavity)에 의해 형성되는 다른 방식이 더 기재되어 있다. 상기 2개의 패치 부재들 중에서 하나를 위한 결과로서 필요한 외측 캐리어(carrier)가 하우징 또는 레이돔으로 구현된다. 이에 따라 제조 방법들이 복잡해지고 비용이 많이 드는 결과를 가져온다.The aforementioned US Pat. No. 7,636,063 (B2) further describes another way in which the space between the two patch members is completely formed by a cavity. The outer carrier required as a result for one of the two patch members is embodied in a housing or radome. This results in complex and costly manufacturing methods.

B. Zivanovic, T. M. Weller, S. Melais, T. Meyer 등의 "The effect of alignment tolerance on multilayer air cavity microstrip patches"(IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 381-384, June 9-15, 2007, doi: 10.1109/APS.2007.4395510; URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. jsp?tp=&arnumber=439551 0&isnumber=4395410)에는 접지 표면 상부의 개별적인 마이크로스트립 안테나 부재들로 구성되고 개재되는 유전체 분리기가 공동을 가지는 마이크로스트립 안테나가 기재되어 있다.B. Zivanovic, TM Weller, S. Melais, T. Meyer et al., "The effect of alignment tolerance on multilayer air cavity microstrip patches" (IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 381-384, June 9-15, 2007, doi 10.1109 / APS.2007.4395510; URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. A microstrip antenna is described in which the dielectric separator has a cavity.

I. E. Lager, M. Simeoni 등의 "Experimental investigation of the mutual coupling reduction by means of cavity enclosure of patch antennas"(First European Conference on Antennas and Propagation, Nov. 1-5, 6-10, 2006, doi: 10.1109/EUCAP.2006.4584577; URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. jsp?tp=&arnumber=4584577&isnumber=4584476)에는 고주파 인쇄 회로 기판 상에 나란하게 차례로 정렬되는 고주파 집지 안테나의 개별적인 마이크로스트립 안테나들의 디커플링(decoupling)을 위한 측정이 기재되어 있다. 이 경우에 있어서, 상기 개별적인 마이크로스트립 안테나들은 각기 도금 관통 홀들에 의해 둘러싸인다.IE Lager, M. Simeoni et al., "Experimental investigation of the mutual coupling reduction by means of cavity enclosure of patch antennas" (First European Conference on Antennas and Propagation, Nov. 1-5, 6-10, 2006, doi: 10.1109 / EUCAP.2006.4584577; URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. Measurements for the decoupling of these are described. In this case, the individual microstrip antennas are each surrounded by plated through holes.

미국 특허 제7,050,004(B2)호에는 그 접지 표면이 이동 가능하고, 마이크로스트립 안테나 부재에 대한 위치가 전압의 인가에 따라 변경될 수 있는 멤브레인에 의해 형성되는 마이크로스트립 안테나가 기재되어 있다.US Patent No. 7,050,004 (B2) describes a microstrip antenna formed by a membrane whose ground surface is movable and whose position relative to the microstrip antenna member can be changed with the application of a voltage.

미국 특허 제5,363,067(A)호에는 접지 표면 상부에 서로 나란히 놓이는 2개의 도전체들을 포함하는 마이크로스트립 라인이 기재되어 있다. 상기 2개의 도전체들 상부의 공간은 유전체 기판 내의 각 공동에 의해 형성된다.U. S. Patent No. 5,363, 067 (A) describes a microstrip line comprising two conductors lying next to each other on top of the ground surface. The space above the two conductors is formed by each cavity in the dielectric substrate.

본 발명의 목적은 필수적인 약한 전자기적 결합이 상실되지 않고, 생산 공학적인 측면에서 유리한 포괄적 적층형 마이크로스트립 안테나를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a comprehensive stacked microstrip antenna which does not lose the necessary weak electromagnetic coupling and is advantageous in terms of production engineering.

전술한 목적은 특허 청구 범위 제1항에 기재된 발명의 요지에 의해 구현된다. 종속항들은 본 발명의 유익한 실시예들에 관련된다.The above object is achieved by the subject matter of the invention as claimed in claim 1. Dependent claims relate to advantageous embodiments of the invention.

본 발명에 따르면, 분리기(separator)는 하나가 다른 하나 상부에 놓여지는 2개의 패치 부재들 사이에 정렬되고, 공기 공동들(air cavities)이, 예를 들면, 드릴링(drilling) 또는 밀링(milling)에 의해 상기 분리기 내에 도입된다.According to the invention, a separator is arranged between two patch members, one on top of the other, and the air cavities are for example drilled or milled. Is introduced into the separator.

그 결과, 비록 상기 패치 부재들 사이의 원하는 약한 결합에 대하여 비유전율(ε r )이 최적화되지 않더라도(예를 들면, 상대적으로 높아도), 생산 공학적인 측면에서 유리한 분리기 물질을 사용하는 것이 가능해진다. 상기 분리기 내로 도입되는 상기 공동들에 의해 필수적인 매칭이 영향을 받으며, 이는 상기 패치 부재들 사이의 유효 비유전율을 상당히 감소시킨다. 이러한 결과는 상기 패치 부재들의 전자기적 결합의 상당한 감소이다.As a result, even if the relative dielectric constant ε r is not optimized (e.g., relatively high) for the desired weak bond between the patch members, it is possible to use separator materials that are advantageous in production engineering. The necessary matching is affected by the cavities introduced into the separator, which significantly reduces the effective relative dielectric constant between the patch members. This result is a significant reduction in the electromagnetic coupling of the patch members.

따라서 본 발명에 따른 분리기는 상기 안테나의 구조를 위한 지지 프레임의 형태가 되는 반면, 상기 공기 공동들은 상기 패치 부재들 사이의 유효 비유전율을 상당히 감소시킨다.The separator according to the invention thus takes the form of a support frame for the structure of the antenna, while the air cavities significantly reduce the effective relative dielectric constant between the patch members.

특히 유리하게는, 종래의 고주파(RF) 인쇄 회로 기판 베이스 물질(예를 들면, 미국 애리조나주 챈들러시 85226-3415 사우스루즈벨트가 100 마이크로웨이브 머티어리얼즈 디비젼의 로저스(Rogers)사로부터의 RO 4003? C)이 분리기로 사용될 수 있다. 이러한 물질들은 통상적으로 유리 섬유가 그 내부에 도입된 수지로 구성된다. 이들은 우수한 안정성을 가지며, 생산 공학적인 측면에서 문제가 없다. 고주파 기포 물질과 관련된 이러한 물질들의 비교적 높은 비유전율은 공동이나 복수의 공동들의 도입에 의해 보상된다.Particularly advantageously, conventional high frequency (RF) printed circuit board base materials (e.g., Chandler, Arizona, USA 85226-3415 South Roosevelt, RO from Rogers of 100 Microwave Materials Division) 4003? C) it can be used as a separator. Such materials typically consist of a resin into which glass fibers have been introduced. They have good stability and have no problem in terms of production engineering. The relatively high relative dielectric constant of these materials associated with the high frequency bubble material is compensated by the introduction of a cavity or a plurality of cavities.

본 발명에 의하면, 특히 다음과 같은 이점들이 구현된다.According to the invention, in particular the following advantages are realized.

- 안테나의 대역폭(bandwidth)의 증가가 낮은 유효 비유전율에 의하여 가능하게 된다.An increase in the bandwidth of the antenna is made possible by the low effective dielectric constant.

- 안테나 제조를 위한 표준 고주파 물질들과 표준 인쇄 회로 기판(PCB) 공정들의 이용이 가능해지므로 비용 측면에서 효과적인 생산 방법들이 가능하다.The use of standard high frequency materials and standard printed circuit board (PCB) processes for antenna fabrication enables cost effective production methods.

- 튼튼하고 광대역인 안테나들의 유용성이 가능하게 된다.-The availability of robust and broadband antennas is possible.

- 기술적으로 제조하기 어려운 고주파 발포들에 기초하는 복잡한 안테나 해결 방안들로부터 독립적이 된다.Independence from complex antenna solutions based on high frequency foams that are technically difficult to manufacture.

- 예를 들면, 3D-T/R 모듈들을 위한 에미터 부재들로서나 원편파(circularly polarized), 구조 통합된 안테나들로서의 이러한 기술의 응용예들이 다양해진다.Applications of this technique are diversified, for example, as emitter members for 3D-T / R modules or as circularly polarized, structure integrated antennas.

- 대체적으로 넓은 주파수 대역을 위하여 사용 가능하다.-Can be generally used for a wide frequency band.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 첨부 도면에 있어서,
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나를 나타내는 단면도이며,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나를 나타내는 단면도이다.The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in the accompanying drawings,
1 is a cross-sectional view showing an antenna according to a first embodiment of the present invention,
2 is a cross-sectional view illustrating an antenna according to a second embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2는 각기 본 발명에 따라 하나가 다른 하나의 상부에 정렬되는 2개의 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna) 부재들(1, 10)과 접지 표면(100)을 구비하는 적층형 마이크로스트립 안테나를 나타내는 단면도이다. 언급된 도전성 부품들(1, 10, 100)은 유전층들(5, 6, 7)에 의해 각기 서로 분리된다. 후자는 종래의 고주파(RF) 인쇄 회로 기판 베이스 물질로 구성되고, 자연적으로 높은 비유전율(ε r )을 가진다. 상기 하부 패치 부재(1)는 상기 안테나의 급전 패치(fed patch) 부재(10)인 반면에, 상기 상부 패치 부재(10)는 기생 패치(parasitic patch) 부재이다.1 and 2 each show a stacked microstrip antenna having two microstrip antenna members 1, 10 and a ground surface 100 arranged one on top of the other according to the invention. It is sectional drawing to show. The conductive parts 1, 10, 100 mentioned are separated from each other by the dielectric layers 5, 6, 7. The latter consists of a conventional high frequency (RF) printed circuit board base material and naturally has a high relative dielectric constant ε r . The lower patch member 1 is a fed patch member 10 of the antenna, while the upper patch member 10 is a parasitic patch member.

통상적으로 이러한 형태의 안테나들에 있어서, 상기 기생 패치 부재(10)는 상기 급전 패치 부재(1)에 의해 방출되는 신호로 진동하며, 이에 따라 전체적인 배열의 임피던스(impedance) 대역폭을 개선시킨다.Typically in these types of antennas, the parasitic patch member 10 vibrates with the signal emitted by the feed patch member 1, thereby improving the impedance bandwidth of the overall arrangement.

본 발명에 따르면, 분리기(separator)(5)는 상기 2개의 적층된 패치 부재들(1, 10) 사이에 존재하고, 상기 분리기는 동시에 상기 상부 패치 부재(10)를 위한 캐리어로 기능한다. 공기가 채워진 평행육면체형 또는 실린더형 공동(cavity)(20)이 상기 분리기(5)의 물질 내로 분쇄되고, 상기 공동은 도시된 실시예에 있어서는 상기 기생 패치 부재(10) 아래에 직접 위치한다. 이러한 공기 공동(20)은 상기 2개의 패치 부재들(1, 10) 사이의 유효 비유전율을 상당히 감소시키며, 이에 따라 상기 안테나의 원하는 증가된 임피던스 대역폭을 가져온다.According to the invention, a separator 5 is present between the two stacked patch members 1, 10, which at the same time serve as a carrier for the upper patch member 10. An air-filled parallelepiped or cylindrical cavity 20 is crushed into the material of the separator 5, which is located directly below the parasitic patch member 10 in the illustrated embodiment. This air cavity 20 significantly reduces the effective relative dielectric constant between the two patch members 1, 10, thus resulting in the desired increased impedance bandwidth of the antenna.

이와 같은 실시예에 있어서, 상기 하부 패치 부재(1)와 접지 표면(100) 사이의 상기 유전층(6)은 연속적인 방식(고체 물질)으로 구현되며, 다시 말하면 특히 공동들을 가지지 않는다. 이에 따라, 이러한 2개의 도전체들 사이에 상대적으로 높은 비유전율이 존재하며, 이는 증가된 안테나 대역폭을 구현에 유익한 바와 같다.In this embodiment, the dielectric layer 6 between the lower patch member 1 and the ground surface 100 is embodied in a continuous manner (solid material), in other words having no cavities. Accordingly, there is a relatively high relative dielectric constant between these two conductors, which is advantageous for implementing increased antenna bandwidth.

도 1에 도시한 실시예에 대한 변형이 도 2에 도시되어 있다. 단지 하나의 공동 대신에, 2개의 분리된 공동들(21)이 상기 기생 패치 부재(10) 아래의 상기 분리기(5) 내에 존재한다. 상기 2개의 공동들(21)은 상기 분리기(5) 물질 내의 드릴링에 의해 생성된다. A variation on the embodiment shown in FIG. 1 is shown in FIG. 2. Instead of just one cavity, two separate cavities 21 are present in the separator 5 below the parasitic patch member 10. The two cavities 21 are created by drilling in the separator 5 material.

Claims (3)

- 접지 표면(100),
- 유전층(6),
- 하부 마이크로스트립 안테나 부재(1),
- 유전 분리기(5),
- 상부 마이크로스트립 안테나 부재(10)를 구비하는 적층형 마이크로스트립 안테나에 있어서,
상기 유전 분리기(5)가 하나 또는 그 이상의 공기 공동들(20, 21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 마이크로 스트립 안테나.Ground surface (100),
A dielectric layer (6),
A lower microstrip antenna member (1),
A dielectric separator (5),
In a stacked microstrip antenna having an upper microstrip antenna member (10),
Stacked microstrip antenna, characterized in that the dielectric separator (5) comprises one or more air cavities (20, 21). 제 1 항에 있어서, 상기 유전 분리기(5)는 고주파(RF) 인쇄 회로 기판 베이스 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 마이크로 스트립 안테나.2. The stacked microstrip antenna according to claim 1, wherein the dielectric separator (5) consists of a high frequency (RF) printed circuit board base material. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 접지 표면(100)과 상기 하부 마이크로스트립 안테나 부재(1) 사이의 상기 유전층(6)은 공동들이 없는 고체 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 마이크로 스트립 안테나.3. Stacked microstrip antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the dielectric layer (6) between the ground surface (100) and the lower microstrip antenna member (1) consists of a solid material without cavities. .
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